JP2003063807A - Method for manufacturing oxygen and method for reforming gas - Google Patents

Method for manufacturing oxygen and method for reforming gas

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JP2003063807A
JP2003063807A JP2001257825A JP2001257825A JP2003063807A JP 2003063807 A JP2003063807 A JP 2003063807A JP 2001257825 A JP2001257825 A JP 2001257825A JP 2001257825 A JP2001257825 A JP 2001257825A JP 2003063807 A JP2003063807 A JP 2003063807A
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oxygen
gas
mixed
conductive oxide
oxide
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JP2001257825A
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Takashi Anyashiki
孝思 庵屋敷
Jun Ishii
純 石井
Toshihiko Okada
敏彦 岡田
Tatsuro Ariyama
達郎 有山
Kazuya Yabuta
和哉 藪田
Shinichiro Fukushima
信一郎 福嶋
Toshiyuki Koyama
利幸 小山
Yasutake Teraoka
靖剛 寺岡
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JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing oxygen capable of manufacturing oxygen at high efficiency by increasing the oxygen permeability of a separation membrane for manufacturing oxygen and a method for reforming gas capable of reforming a gas at high efficiency by raising the oxygen permeable performance of a diaphragm reactor. SOLUTION: Oxygen is manufactured by using, as the separation membrane for manufacturing oxygen, a mixed conductive oxide which contains lanthanum, strontium, cobalt and iron as the main components with molar ratio of the component elements shown in the following formula (1) and which is a dense material having an opening pore ratio of 0.7% or less. The gas is reformed by using such the mixed conductive oxide as the diaphragm reactor. La:Sr:Co: Fe=x:1-x:1-y:y...(1) (where 0<x<0.15, 0<y<0.15).

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素製造用分離膜
を用いた酸素製造方法および隔膜リアクターを用いたガ
ス改質方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an oxygen production method using a separation membrane for oxygen production and a gas reforming method using a diaphragm reactor.

【0002】[0002]

【従来の技術】空気のような酸素含有混合ガスから酸素
成分のみを選択的に輸送する物質として、混合伝導性酸
化物が広く知られており、このような混合伝導性酸化物
が酸素製造装置の分離膜やガス改質装置の隔膜リアクタ
ーとして用いられている。ここで、混合伝導性酸化物と
は、電子または正孔を伝導すると同時に、酸素イオン
(酸化物イオンともいう)も伝導する酸化物のことであ
る。
2. Description of the Related Art Mixed conductive oxides are widely known as substances that selectively transport only oxygen components from an oxygen-containing mixed gas such as air, and such mixed conductive oxides are used in oxygen production equipment. It is used as a separation membrane of the above and a membrane reactor of a gas reformer. Here, the mixed conductive oxide is an oxide that conducts electrons or holes and simultaneously conducts oxygen ions (also referred to as oxide ions).

【0003】このような混合伝導性酸化物を利用して選
択的酸素輸送を工業的に行うには、その操業条件におけ
る酸素イオン導電率として、大略0.1S/cm以上必
要であり、好ましくは、 0.5S/cm以上、最も好
ましくは、1S/cm以上である。また、電子導電率と
しては、それらと同程度ないしそれ以上の値を有するこ
とが必要である。すなわち、本発明が対象とする混合伝
導性酸化物とは、電子導電率および酸素イオン導電率が
操業条件において、共に、大略 0.1S/cm以上で
ある酸化物を指す。
In order to industrially carry out selective oxygen transport utilizing such a mixed conductive oxide, the oxygen ion conductivity under the operating conditions needs to be about 0.1 S / cm or more, preferably. , 0.5 S / cm or more, and most preferably 1 S / cm or more. Further, it is necessary that the electronic conductivity has a value equal to or higher than those. That is, the mixed conductive oxide targeted by the present invention refers to an oxide whose electronic conductivity and oxygen ion conductivity are both about 0.1 S / cm or more under operating conditions.

【0004】この定義を満足する混合伝導性酸化物とし
て、古くは、特開昭56−92103号公報や特開昭6
1−21717号公報に開示されているように、Lax
Sr 1-xCoO3-aやLa1-xSrxCo1-yFey 3-z
いったperovskite型の結晶構造を有する酸化物が知られ
ている。
As a mixed conductive oxide satisfying this definition
In the old days, JP-A 56-92103 and JP-A 6-92103
As disclosed in JP 1-21717 A, Lax
Sr 1-xCoO3-aAnd La1-xSrxCo1-yFeyO3-zWhen
Oxides having such a perovskite type crystal structure are known.
ing.

【0005】また、最近では、米国特許5356728
号および同5580497号に開示されているように、
代表的組成がSr4Fe6-xCoxz(13−δ≦z≦1
3+δ)で表され、主結晶相の一つが少なくとも室温付
近では非perovskite型(前記公報においてはSr4Fe6
13化合物と同じ層状perovskite型とされている)の結
晶構造であって、大気中において10〜30S/cm
(800〜950℃)程度の電子導電率を有する酸化物
が発明されている。
More recently, US Pat. No. 5,356,728.
And No. 5580497,
A typical composition is Sr 4 Fe 6-x Co x O z (13−δ ≦ z ≦ 1
3 + δ), and one of the main crystalline phases is a non-perovskite type (Sr 4 Fe 6 in the above publication) at least near room temperature.
The same layered perovskite type as the O 13 compound), and has a crystal structure of 10 to 30 S / cm in the atmosphere.
An oxide having an electronic conductivity of about (800 to 950 ° C.) has been invented.

【0006】さらに、寺岡らの学術論文(日本化学会
誌、vol.1988、No.7、pp1084-1089 、1988年、「L
1-xSrxCo1-yFey3ペロブスカイト型酸化物の
酸素透過能」)には、xおよびyを0〜1.0で変化さ
せた結果、SrCoO2.5を除けば、xが大きく、か
つ、yが小さな組成、例えば、SrCo0.8Fe0.23
とすれば良好な酸素透過能が得られる旨が記載されてい
る。
Further, an academic paper by Teraoka et al. (Journal of the Chemical Society of Japan, vol.1988, No.7, pp1084-1089, 1988, "L"
a 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 oxygen permeation capacity of perovskite type oxide ”), as a result of changing x and y from 0 to 1.0, except for SrCoO 2.5 , x is A composition having a large y and a small y, for example, SrCo 0.8 Fe 0.2 O 3
In that case, it is described that a good oxygen permeability can be obtained.

【0007】寺岡らはさらに電気化学会第68回大会予稿
集(1J26、pp175、2001年4月1〜3日、「Sr,
Coリッチ組成域でのLa−Sr−Co−Fe系ペロブ
スカイトの合成と酸素透過能」)では、AサイトにLa
を含むことで低温での酸素透過能が向上することから、
La−Sr−Co−Feの4成分からなり、かつ、Sr
とCoの組成が可能な限り高い酸化物、例えばLa0.1
Sr0.9Co0.9Fe0.13組成とすれば良好な酸素透過
能が得られる旨が記載されている。また、この組成で
は、上記文献で最も好ましい組成とされたSrCo0.8
Fe0.23と比べると900℃での酸素透過率向上は僅
かではあるが、より低温領域での酸素透過率の向上に効
果があると報告している。
[0007] Teraoka et al. Further published the proceedings of the 68th conference of the Institute of Electrochemistry (1J26, pp175, April 1-3, 2001, "Sr,
“Synthesis and oxygen permeability of La—Sr—Co—Fe-based perovskite in the Co-rich composition region”), La at the A site.
Since the oxygen permeability at low temperature is improved by containing
La-Sr-Co-Fe consisting of four components, and Sr
And Co having the highest possible composition, for example La 0.1
It is described that good oxygen permeability can be obtained with a composition of Sr 0.9 Co 0.9 Fe 0.1 O 3 . In addition, in this composition, SrCo 0.8
Although it is slightly improved in oxygen permeability at 900 ° C. as compared with Fe 0.2 O 3 , it is reported that it is effective in improving oxygen permeability in a lower temperature region.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記先
行文献においては、混合伝導性酸化物の組成は検討され
ているものの、それ以外の焼結体の状態や製造方法等に
ついては、工業的な適用を考慮した場合に不可欠な技術
要素であるにもかかわらず、ほとんど記載されていな
い。すなわち、実際に酸素製造のための分離膜やガス改
質のための隔膜リアクターへの適用を考慮した場合にど
のような条件で十分に高い酸素透過率を示すかについて
は、未だ見出されていないのが現状である。
However, although the composition of the mixed conductive oxide is examined in the above-mentioned prior art documents, the other conditions such as the state of the sintered body and the manufacturing method are industrially applied. Although it is an indispensable technical element when considering, it is hardly described. That is, it has not yet been found under what conditions, when actually applied to a separation membrane for oxygen production or a diaphragm reactor for gas reforming, a sufficiently high oxygen permeability is exhibited. The current situation is that there are none.

【0009】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であって、酸素製造用分離膜の酸素透過率を高くして高
効率で酸素を製造することができる酸素製造方法を提供
することを目的とする。また、隔膜リアクターの酸素透
過性能を高くして高効率でガス改質を行うことができる
ガス改質方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an oxygen production method capable of producing oxygen with high efficiency by increasing the oxygen permeability of a separation membrane for oxygen production. And It is another object of the present invention to provide a gas reforming method capable of enhancing the oxygen permeation performance of a diaphragm reactor and performing gas reforming with high efficiency.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来から
酸素透過率が良好とされているLa−Sr−Co−Fe
系酸化物について、酸素製造用分離膜や隔膜リアクター
へ適用した場合に実際に高い酸素透過率を有するものと
すべく検討を重ねた結果、混合導電性酸化物の組成ばか
りではなく、焼結体が一定以上緻密であることが必要で
あることを見出した。そして、そのような緻密質の焼結
体を得るためには、焼成温度および焼成に先だって行わ
れる熱処理の際の温度を特定範囲に制御することが重要
であることを見出した。
The present inventors have found that La-Sr-Co-Fe, which has been conventionally considered to have a good oxygen permeability.
As a result of repeated investigations on oxides that have high oxygen permeability when applied to separation membranes for oxygen production or diaphragm reactors, not only the composition of mixed conductive oxides but also sintered bodies It has been found that is required to be more than a certain level. Then, it was found that in order to obtain such a dense sintered body, it is important to control the firing temperature and the temperature during the heat treatment performed prior to firing within a specific range.

【0011】本発明はこのような知見に基づいてなされ
たものであり、以下の(1)〜(4)を提供するもので
ある。
The present invention has been made based on such findings, and provides the following (1) to (4).

【0012】(1) ランタン、ストロンチウム、コバ
ルトおよび鉄を主成分とし、それら成分元素のモル比が
下記(1)式で表され、開気孔率が0.7%以下の緻密
質である混合伝導性酸化物を酸素製造用分離膜として用
いて酸素を製造することを特徴とする酸素製造方法。 La:Sr:Co:Fe=x:1−x:1−y:y ……(1) (ただし、0<x<0.15 、0<y<0.15 )
(1) Mixed conduction having lanthanum, strontium, cobalt and iron as main components, the molar ratio of these component elements being represented by the following formula (1), and having an open porosity of 0.7% or less and being dense. A method for producing oxygen, characterized in that oxygen is produced by using a porous oxide as a separation membrane for producing oxygen. La: Sr: Co: Fe = x: 1-x: 1-y: y (1) (where 0 <x <0.15, 0 <y <0.15)

【0013】(2) 以下の(1)式に示す構成比率で
金属元素を含む原料化合物を1100℃未満で熱処理し
て混合酸化物とした後に、1100℃以上での焼成を行
うことによって得られた混合伝導性酸化物を酸素製造用
分離膜として用いて酸素を製造することを特徴とする酸
素製造方法。 La:Sr:Co:Fe=x:1−x:1−y:y ……(1) (ただし、0<x<0.15 、0<y<0.15 )
(2) Obtained by heat-treating a raw material compound containing a metal element at a composition ratio represented by the following formula (1) at a temperature lower than 1100 ° C. to form a mixed oxide, and then firing at a temperature of 1100 ° C. or higher. An oxygen production method comprising producing oxygen by using the mixed conductive oxide as a separation membrane for oxygen production. La: Sr: Co: Fe = x: 1-x: 1-y: y (1) (where 0 <x <0.15, 0 <y <0.15)

【0014】(3) ランタン、ストロンチウム、コバ
ルトおよび鉄を主成分とし、それら成分元素のモル比が
下記(1)式で表され、開気孔率が0.7%以下の緻密
質である混合伝導性酸化物を隔膜リアクターとして用い
てガスを改質することを特徴とするガス改質方法。 La:Sr:Co:Fe=x:1−x:1−y:y ……(1) (ただし、0<x<0.15 、0<y<0.15 )
(3) Mixed conduction having lanthanum, strontium, cobalt and iron as main components, the molar ratio of the component elements being represented by the following formula (1), and having an open porosity of 0.7% or less and being dense. A gas reforming method comprising reforming a gas by using a porous oxide as a diaphragm reactor. La: Sr: Co: Fe = x: 1-x: 1-y: y (1) (where 0 <x <0.15, 0 <y <0.15)

【0015】(4) 以下の(1)式に示す構成比率で
金属元素を含む原料化合物を1100℃未満で熱処理し
て混合酸化物とした後に、1100℃以上での焼成を行
うことによって得られた混合伝導性酸化物を隔膜リアク
ターとして用いてガスを改質することを特徴とするガス
改質方法。 La:Sr:Co:Fe=x:1−x:1−y:y ……(1) (ただし、0<x<0.15 、0<y<0.15 )
(4) Obtained by heat-treating a raw material compound containing a metal element at a composition ratio represented by the following formula (1) at a temperature lower than 1100 ° C. to form a mixed oxide and then firing at a temperature of 1100 ° C. or higher. A gas reforming method, characterized in that the mixed conducting oxide is used as a diaphragm reactor to reform a gas. La: Sr: Co: Fe = x: 1-x: 1-y: y (1) (where 0 <x <0.15, 0 <y <0.15)

【0016】上記(2)の酸素製造方法および上記
(4)のガス改質方法において、前記混合伝導性酸化膜
が、前記原料化合物をメジアン径15μm以下に粉砕し
て用いて製造されたものであることが好ましい。また、
上記(2)の酸素製造方法および上記(4)のガス改質
方法において、前記混合伝導性酸化膜が、前記原料化合
物を混合酸化物にするための熱処理を800〜1000
℃で0.1〜30時間保持することにより行われて製造
されたものであることが好ましい。さらに、上記(2)
の酸素製造方法および上記(4)のガス改質方法におい
て、前記混合伝導性酸化膜が、前記熱処理後の混合酸化
物をメジアン径10μm以下に粉砕して用いて製造され
たものであることが好ましい。さらにまた、上記(2)
の酸素製造方法および上記(4)のガス改質方法におい
て、前記混合伝導性酸化膜が、前記混合酸化物を焼成す
る工程を1100〜1300℃で0.1〜20時間保持
することにより行われて製造されたものであることが好
ましい。
In the oxygen production method of (2) and the gas reforming method of (4), the mixed conductive oxide film is produced by pulverizing the raw material compound to have a median diameter of 15 μm or less. Preferably there is. Also,
In the oxygen production method of (2) and the gas reforming method of (4), the mixed conductive oxide film is subjected to a heat treatment of 800 to 1000 for converting the raw material compound into a mixed oxide.
It is preferably manufactured by holding at 0.1 ° C. for 0.1 to 30 hours. Furthermore, the above (2)
In the method for producing oxygen and the gas reforming method according to (4) above, the mixed conductive oxide film is produced by pulverizing the mixed oxide after the heat treatment into a median diameter of 10 μm or less and using the mixed oxide. preferable. Furthermore, the above (2)
In the method for producing oxygen and the gas reforming method according to (4), the step of firing the mixed oxide is performed by holding the step of firing the mixed oxide at 1100 to 1300 ° C. for 0.1 to 20 hours. It is preferably manufactured by

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態について説明する。図1は、本発明に係る
酸素製造方法およびガス改質方法を実施可能な電力併産
型のシステムの概要を示す系統図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a system diagram showing an outline of an electric power co-production type system capable of implementing the oxygen production method and the gas reforming method according to the present invention.

【0018】原料空気1は前処理装置2に送られ、除
塵、除水などされた後、空気圧縮機3により昇圧され、
昇圧された圧縮空気4は熱交換器5により昇温され、酸
素製造装置7に送り込まれる。酸素製造装置7に送り込
まれた昇温された空気6は、酸素製造装置7の内部に設
置された後述する混合伝導性酸化物からなる分離膜によ
り高濃度酸素8と高濃度窒素(排ガス)11とに分離さ
れる。分離された高濃度酸素8は、熱交換器9に送り込
まれ、酸素圧縮機10により圧縮され、昇圧機12を通
過後、溶融還元炉、酸素高炉、スクラップ溶解炉などの
酸素消費設備13に送られ、消費される。また、昇圧機
12および熱交換器9を通過した高濃度酸素15は、後
述する混合伝導性酸化物からなる隔膜リアクターを有す
るガス改質装置23に送り込まれ、メタンなどの改質ガ
ス用原料22の改質用ガスとして使用される。ガス改質
装置23では、改質ガス用原料22が高濃度酸素15に
より改質されて改質ガス24となり、その際の排ガス2
5はガス改質装置23外へ排出される。酸素消費設備1
3で発生する一酸化炭素、水素などの副生ガス14は、
ガスタービン19に送り込まれ、そこで昇圧された排ガ
ス26は高圧燃焼機16に送られ、圧縮空気4の一部に
よって燃焼させガスタービン17を駆動する。ガスター
ビン17および19の駆動力は空気圧縮機3および酸素
圧縮機10に伝えられるとともに、ガス圧縮機20にも
伝えられ、ガス圧縮機20で生じた電気21は発電プラ
ントに送られる。
The raw material air 1 is sent to a pretreatment device 2 to be dedusted and dewatered, and then pressurized by an air compressor 3.
The pressurized compressed air 4 is heated by the heat exchanger 5 and sent to the oxygen production device 7. The temperature-increased air 6 sent to the oxygen production apparatus 7 is provided with a high concentration oxygen 8 and a high concentration nitrogen (exhaust gas) 11 by a separation membrane, which will be described later and is made of a mixed conductive oxide. And separated. The separated high-concentration oxygen 8 is sent to the heat exchanger 9, compressed by the oxygen compressor 10, passed through the booster 12, and then sent to the oxygen consumption equipment 13 such as a smelting reduction furnace, an oxygen blast furnace, and a scrap melting furnace. Be consumed and consumed. Further, the high-concentration oxygen 15 that has passed through the booster 12 and the heat exchanger 9 is sent to a gas reformer 23 having a diaphragm reactor made of a mixed conductive oxide, which will be described later, and a raw material 22 for a reformed gas such as methane is supplied. It is used as a reforming gas. In the gas reforming device 23, the reformed gas raw material 22 is reformed by the high-concentration oxygen 15 to become the reformed gas 24.
5 is discharged to the outside of the gas reformer 23. Oxygen consumption equipment 1
By-product gas 14 such as carbon monoxide and hydrogen generated in 3
The exhaust gas 26 sent to the gas turbine 19 and boosted there is sent to the high-pressure combustor 16, and is burned by a part of the compressed air 4 to drive the gas turbine 17. The driving force of the gas turbines 17 and 19 is transmitted to the air compressor 3 and the oxygen compressor 10 as well as to the gas compressor 20, and the electricity 21 generated in the gas compressor 20 is transmitted to the power generation plant.

【0019】図1の酸素製造装置7の分離膜またはガス
改質装置23の隔膜リアクターとして用いられる混合伝
導性酸化物は、膜厚が数十μmから数百μmが望まし
い。これは、これ以上膜厚が薄いと、膜前後の圧力差に
耐え得る強度が得られないからであり、これ以上膜厚が
厚いと、酸素透過速度の大幅な低下を来すためである。
さらに、膜強度を補強するために、多孔質の支持体を用
いることができる。多孔質支持体の材質としては、混合
伝導性酸化物と反応してスピネルのような複合金属酸化
物を形成せず、かつ熱膨張係数が略等しい材料が好まし
い。混合伝導性酸化物の膜面積は必要酸素量により適宜
決められるが、供給ガスと混合伝導性酸化物との接触面
積を大きくするために、混合伝導酸化物表面に凸凹をつ
け、混合伝導性酸化物の専有面積を小さくすることもで
きる。混合伝導性酸化物の膜形状としては、平面膜ある
いはチューブ状多孔質支持体の外表面に混合伝導性酸化
物を形成させたシェルチューブ構造等があり、使用目的
に応じて膜形状を選択することができる。
The mixed conductive oxide used as the separation membrane of the oxygen production apparatus 7 of FIG. 1 or the diaphragm reactor of the gas reforming apparatus 23 preferably has a film thickness of several tens μm to several hundreds μm. This is because if the film thickness is thinner than this, the strength that can withstand the pressure difference across the film cannot be obtained, and if the film thickness is thicker than this, the oxygen permeation rate is significantly reduced.
In addition, a porous support can be used to reinforce the membrane strength. As a material for the porous support, a material that does not react with the mixed conductive oxide to form a composite metal oxide such as spinel and has a substantially equal thermal expansion coefficient is preferable. The film area of the mixed conductive oxide is appropriately determined depending on the amount of oxygen required, but in order to increase the contact area between the supply gas and the mixed conductive oxide, the mixed conductive oxide surface is made uneven so that the mixed conductive oxide is formed. The area occupied by a product can be reduced. As the film shape of the mixed conductive oxide, there is a flat film or a shell tube structure in which the mixed conductive oxide is formed on the outer surface of the tubular porous support, and the film shape is selected according to the purpose of use. be able to.

【0020】次に、酸素製造装置7に用いられる混合伝
導性酸化物の膜形状の例を示す。図2は、酸素製造装置
7内において分離膜として混合伝導性酸化物を用いた空
気分離ユニットを示す模式図である。ここでは、チュー
ブ状多孔質支持体の外表面に混合伝導性酸化物を形成さ
せたシェルチューブ構造の例を示す。なお、ここで示す
のはあくまで例示であり、膜形状はこれに限定されるも
のではない。
Next, an example of the film shape of the mixed conductive oxide used in the oxygen production apparatus 7 will be shown. FIG. 2 is a schematic diagram showing an air separation unit using a mixed conductive oxide as a separation membrane in the oxygen production device 7. Here, an example of a shell tube structure in which a mixed conductive oxide is formed on the outer surface of a tubular porous support is shown. In addition, what is shown here is merely an example, and the film shape is not limited to this.

【0021】空気分離ボックス29にはタンマン型チュ
ーブ30が設置されており、空気分離ボックス29に設
けられた原料空気取り入れ口28から、昇圧された高温
原料空気27が空気分離ボックス29内に送り込まれ、
酸素35のみがタンマン型チューブ30の外表面から内
部に透過し、酸素回収ボックス33を通り、酸素取り出
し口34から回収される。一方、酸素貧化空気32は排
ガス排出口31から系外に排出される。
A Tammann-type tube 30 is installed in the air separation box 29, and the pressurized high temperature raw material air 27 is fed into the air separation box 29 from a raw material air intake port 28 provided in the air separation box 29. ,
Only oxygen 35 permeates from the outer surface of the Tammann type tube 30 to the inside, passes through the oxygen recovery box 33, and is recovered from the oxygen outlet 34. On the other hand, the oxygen-depleted air 32 is discharged from the exhaust gas outlet 31 to the outside of the system.

【0022】タンマン型チューブ30は、その断面図で
ある図3に示すように、連続貫通孔を有する多孔質支持
体37の外表面に薄膜状の混合伝導性酸化物36を有す
る一端が閉じた円筒状のものであり、空気分離ボックス
29内のタンマン型チューブ30の数、長さは目的用途
に応じて変わり得るものである。また、空気分離ボック
ス29内には、タンマン型チューブ30の補強のため
に、支持板等を設けることができ、原料空気27を効率
良くタンマン型チューブ30の表面に送り込むためにガ
ス流れを制御するための整流板を設けることもできる。
また、整流板が支持板を兼ねることもできる。
As shown in FIG. 3 which is a sectional view of the Tammann type tube 30, one end having a thin film mixed conductive oxide 36 on the outer surface of a porous support 37 having continuous through holes is closed. It has a cylindrical shape, and the number and length of the Tammann-type tubes 30 in the air separation box 29 can be changed depending on the intended use. In addition, a support plate or the like can be provided in the air separation box 29 to reinforce the Tammann type tube 30, and the gas flow is controlled in order to efficiently feed the raw material air 27 to the surface of the Tammann type tube 30. It is also possible to provide a rectifying plate for.
Further, the rectifying plate can also serve as the supporting plate.

【0023】図2に示した空気分離ユニットは、製造酸
素量により複数個組み合わせることができ、酸素製造装
置内の空気分離ユニットの数は任意であり、また、空気
分離ボックス29内のタンマン型チューブ30の数も任
意である。
A plurality of air separation units shown in FIG. 2 can be combined depending on the amount of oxygen produced, the number of air separation units in the oxygen production apparatus is arbitrary, and a Tammann type tube in the air separation box 29 is provided. The number of 30 is also arbitrary.

【0024】次に、ガス改質装置23に用いられる混合
伝導性酸化物の膜形状の例を示す。図4は、ガス改質装
置23内において隔膜リアクターとして混合伝導性酸化
物を用いたガス改質ユニットを示す模式図である。ここ
では、チューブ状多孔質支持体の外表面に混合伝導性酸
化物を形成させたシェルチューブ構造の例を示す。な
お、ここで示すのはあくまで例示であり、膜形状はこれ
に限定されるものではない。
Next, an example of the film shape of the mixed conductive oxide used in the gas reforming device 23 will be shown. FIG. 4 is a schematic diagram showing a gas reforming unit using a mixed conductive oxide as a diaphragm reactor in the gas reforming apparatus 23. Here, an example of a shell tube structure in which a mixed conductive oxide is formed on the outer surface of a tubular porous support is shown. In addition, what is shown here is merely an example, and the film shape is not limited to this.

【0025】ガス改質ボックス43にはストレート型チ
ューブ44が設置されており、ガス改質ボックス43に
設けられた改質用原料ガス取り入れ口39から昇圧され
た改質原料ガス38が改質用原料ガスボックス40を介
してガス改質ボックス43内に送り込まれ、かつ酸素取
り入れ口41から酸素42がガス改質ボックス43内に
送り込まれる。そして、酸素42のみがストレート型チ
ューブ44の外表面から内部に透過し、ストレート型チ
ューブ44の内部に送り込まれた改質用ガス38を酸化
する。酸化された改質ガス47は改質ガス回収ボックス
45で集約され、改質ガス取り出し口46から回収され
る。一方、余剰の酸素49は、酸素排出口48から系外
に排出される。
The straight tube 44 is installed in the gas reforming box 43, and the reforming raw material gas 38 pressurized from the reforming raw material gas inlet 39 provided in the gas reforming box 43 is used for reforming. Oxygen 42 is fed into the gas reforming box 43 from the oxygen intake 41 via the raw material gas box 40. Then, only oxygen 42 permeates from the outer surface of the straight tube 44 to the inside, and oxidizes the reforming gas 38 fed into the straight tube 44. The oxidized reformed gas 47 is collected in the reformed gas recovery box 45 and recovered from the reformed gas outlet 46. On the other hand, excess oxygen 49 is discharged from the oxygen outlet 48 to the outside of the system.

【0026】ストレート型チューブ44は、その断面図
である図5に示すように、連続貫通孔を有する多孔質支
持体51の外表面に薄膜状の混合伝導性酸化物50を有
する両端が開口した円筒状のものであり、ガス改質ボッ
クス43内のストレート型チューブ44の数、長さは目
的用途に応じて変わり得るものである。また、ガス改質
ボックス43内には、ストレート型チューブ44の補強
のために、支持板等を設けることができ、酸素42をス
トレート型チューブ44の表面に送り込むためにガス流
れを制御するための整流板を設けることもできる。ま
た、整流板が支持板を兼ねることもできる。
As shown in FIG. 5 which is a sectional view of the straight type tube 44, both ends having the thin film mixed conductive oxide 50 are opened on the outer surface of the porous support 51 having continuous through holes. It has a cylindrical shape, and the number and length of the straight tubes 44 in the gas reforming box 43 can vary depending on the intended use. Further, in the gas reforming box 43, a support plate or the like can be provided to reinforce the straight type tube 44, and in order to send the oxygen 42 to the surface of the straight type tube 44, the gas flow is controlled. A current plate may be provided. Further, the rectifying plate can also serve as the supporting plate.

【0027】図4に示したガス改質ユニットは、改質ガ
ス量により複数個組み合わせることができ、ガス改質装
置内のガス改質ユニットの数は任意であり、また、ガス
改質ボックス43内のストレート型チューブ44の数も
任意である。
A plurality of gas reforming units shown in FIG. 4 can be combined according to the amount of reformed gas, the number of gas reforming units in the gas reforming apparatus is arbitrary, and the gas reforming box 43 is also provided. The number of straight tubes 44 inside is also arbitrary.

【0028】次に、上記システムにおいて酸素製造用の
分離膜およびガス改質用の隔膜リアクターとして用いら
れる混合伝導性酸化物について説明する。
Next, the mixed conductive oxide used as the separation membrane for oxygen production and the diaphragm reactor for gas reforming in the above system will be described.

【0029】本発明で用いられる混合伝導性酸化物は、
ランタン、ストロンチウム、コバルトおよび鉄を主成分
とし、それら成分元素のモル比が下記(1)式で表さ
れ、開気孔率が0.7%以下の緻密質である。 La:Sr:Co:Fe=x:1−x:1−y:y ……(1) (ただし、0<x<0.15 、0<y<0.15 )
The mixed conductive oxide used in the present invention is
Lanthanum, strontium, cobalt and iron are the main components, the molar ratio of these component elements is represented by the following formula (1), and the open porosity is 0.7% or less. La: Sr: Co: Fe = x: 1-x: 1-y: y (1) (where 0 <x <0.15, 0 <y <0.15)

【0030】このような混合伝導性酸化物は陽イオンが
La−Sr−Co−Feの各成分からなる化学式ABO
Xと表記することが可能な混合酸化物である。Laおよ
びSrはこの化学式中Aで表記されるサイトに位置し、
一方、CoおよびFeは同Bで表されるサイトに位置す
る。
In such a mixed conductive oxide, the cation is La-Sr-Co-Fe and the chemical formula is ABO.
It is a mixed oxide that can be represented as X. La and Sr are located at the site represented by A in this chemical formula,
On the other hand, Co and Fe are located at the site represented by B.

【0031】Aサイト中でのLaによるSrの置換率を
xで表すと0<x<0.15となる。Laが存在しない
と500乃至900℃といった低温領域での酸素透過率
が低くなるが、xが増すにつれて全体の酸素透過率が低
下することから、上記範囲であることが高酸素透過率を
得るのに必要となる。
When the substitution ratio of Sr by La in the A site is represented by x, 0 <x <0.15. If La is not present, the oxygen transmission rate in the low temperature region of 500 to 900 ° C. is low, but the overall oxygen transmission rate decreases as x increases, so that the above range provides a high oxygen transmission rate. Will be needed.

【0032】Bサイト中でのFeによるCoの置換率を
yで表すと0<y<0.15となる。Feが存在しない
と結晶構造の対称性が低下して、酸化物イオンあるいは
酸素欠陥の移動が生じにくくなるために存在は必須であ
るが、ある程度以上yが増すと全体の酸素透過率が低下
することから、上記範囲であることが高酸素透過率を得
るのに必要となる。
When the substitution rate of Co in the B site by Fe is represented by y, 0 <y <0.15. If Fe is not present, the symmetry of the crystal structure is lowered, and the presence of Fe is essential because the migration of oxide ions or oxygen vacancies is less likely to occur, but if y is increased to a certain extent or more, the overall oxygen permeability is lowered. Therefore, the above range is required to obtain high oxygen permeability.

【0033】本発明で用いられる混合伝導性酸化物は、
酸素製造の際の分離膜およびガス改質のための隔膜リア
クターとして用いるため、酸素透過率(選択的酸素輸送
速度)を高いものとする必要があるが、そのためには混
合伝導性酸化物の組成だけではなく、緻密な微構造とし
て酸素透過率を高めるようにすることが極めて重要であ
る。すなわち、本発明においては、上記組成のLa−S
r−Co−Fe系混合伝導性酸化物において、開気孔率
が0.7%以下の緻密質とする。酸素の分離膜および隔
膜リアクターに用いる混合伝導性酸化物の中に物理的な
空隙が存在すると、その空隙を通過する大気ガスが不純
物として混入し、酸素透過率を低下させてしまう。この
不純物の混入を十分に抑制するためには開気孔率0.7
%以下とすることが必要である。
The mixed conductive oxide used in the present invention is
Since it is used as a separation membrane for oxygen production and as a membrane reactor for gas reforming, it is necessary to have a high oxygen permeability (selective oxygen transport rate). For that purpose, the composition of the mixed conductive oxide is required. Not only that, it is extremely important to increase the oxygen permeability as a fine microstructure. That is, in the present invention, La-S having the above composition is used.
In the r-Co-Fe mixed conductive oxide, the open porosity should be 0.7% or less. If physical voids are present in the mixed conductive oxide used in the oxygen separation membrane and the membrane reactor, atmospheric gas passing through the voids will be mixed as impurities and the oxygen permeability will be reduced. The open porosity is 0.7 in order to sufficiently suppress the mixing of the impurities.
It is necessary to be less than or equal to%.

【0034】以上のように組成および開気孔率を規定し
た混合伝導性酸化物を、酸素製造用分離膜や隔膜リアク
ターとして用いることにより、十分に高い酸素透過率を
得ることができる。
By using the mixed conductive oxide having the composition and open porosity defined as described above as a separation membrane for oxygen production or a membrane reactor, a sufficiently high oxygen permeability can be obtained.

【0035】次に、このような混合伝導性酸化物の製造
方法について説明する。まず、上記混合伝導性酸化物の
組成に対応した原料化合物を準備する。目的とする混合
伝導性化合物は単相であることが要求されるので、極め
て微細な固相原料、あるいは、気相や液相の化合物を原
料として合成することが有利である。例えば、前述した
寺岡らの文献に示されているように、混合伝導性酸化物
の構成成分の出発材料として硝酸塩(Fe)や酢酸塩
(La,Sr,Co)などを用いて、これらの混合水溶
液から得られる微細な粉末を焼成することが考えられ
る。
Next, a method for producing such a mixed conductive oxide will be described. First, a raw material compound corresponding to the composition of the mixed conductive oxide is prepared. Since the target mixed conductive compound is required to be a single phase, it is advantageous to synthesize it by using an extremely fine solid phase raw material, or a vapor phase or liquid phase compound as a raw material. For example, as shown in the above-mentioned Teraoka et al. Document, nitrates (Fe) and acetates (La, Sr, Co), etc. are used as starting materials for the constituents of the mixed conductive oxide, and the mixture of these is used. It is conceivable to calcine a fine powder obtained from an aqueous solution.

【0036】しかしながら、量産を前提とした場合には
原料自身が安価である他、製造工程におけるコストも低
いことが望ましいところ、これらの原料では、原料自身
が高価であるばかりでなく、製造工程におけるコストを
低く抑えることも困難である。具体的には、極めて微細
な固相粉末では嵩体積が大きいばかりでなく、浮遊しや
すく、そのために作業空間が大きくなったり、人体の健
康や周辺への影響を考慮した設備を備えておく必要があ
る。
However, in the case of mass production, it is desirable that the raw material itself is inexpensive and the cost in the manufacturing process is also low. With these raw materials, not only the raw material itself is expensive, but also in the manufacturing process. It is also difficult to keep costs low. Specifically, extremely fine solid phase powder not only has a large bulk volume but also easily floats, which requires a large working space and equipment that considers the effects on human health and the surroundings. There is.

【0037】また、液相や気相の化合物を原料とした場
合も上記の問題点は同様であるばかりではなく、液相で
あれば溶媒を除去するための設備や熱供給が必要とな
り、気相であれば密閉空間を必要とする問題を有してい
ることから製造に係るコストを低減することは難しい。
さらに、粉末が微細なために仮焼や焼成工程で組成がず
れやすいなどの問題がある。
In addition, when the liquid phase or gas phase compound is used as the raw material, the above problems are not only the same, but in the case of the liquid phase, equipment and heat supply for removing the solvent are required, If it is a phase, it has a problem that a closed space is required, so that it is difficult to reduce the manufacturing cost.
Further, since the powder is fine, there is a problem that the composition is likely to shift during the calcination and firing steps.

【0038】したがって、量産を考慮して、一般的なセ
ラミックス原料を用いて目的化合物を得ることが好まし
い。このような原料としては典型的には酸化物を挙げる
ことができるが、炭酸塩や水酸化物、あるいは、硝酸塩
や蓚酸塩、硫酸塩、塩化物などを組み合わせて用いても
よい。
Therefore, in consideration of mass production, it is preferable to obtain the target compound by using a general ceramic raw material. Typical examples of such a raw material include oxides, but carbonates, hydroxides, nitrates, oxalates, sulfates, chlorides and the like may be used in combination.

【0039】ただし、Srのようなアルカリ土類元素の
酸化物は空気中で不安定であり、保管中に炭酸塩や水酸
化物を形成することで、仕込み重量中の金属元素含有量
が目的値から外れる可能性がある。これを避けるために
は密封処理を施したり、二酸化炭素や水分を遮断できる
設備が必要となるが、これらの対策を講じても人為的な
過失に留意する必要がある。
However, an oxide of an alkaline earth element such as Sr is unstable in the air, and by forming a carbonate or a hydroxide during storage, the content of the metal element in the charged weight is intended. It may deviate from the value. In order to avoid this, it is necessary to carry out a sealing process or a facility that can block carbon dioxide and moisture, but even if these measures are taken, it is necessary to pay attention to artificial negligence.

【0040】上記の原料粉末の粒径は、通常メジアン径
で3〜30μm程度であるから、これらをそのまま混合
したのでは、仮焼処理では十分な成分拡散が進行せず、
不均一組成となるだけでなく、ネッキングにより粗大な
高次粒子を形成することによって、成形体密度が抑制さ
れる、緻密な焼結体が得られない、などの問題を生じる
場合がある。これらのうち組成の不均一については、仮
焼温度を高くしたり、仮焼時間を延長することで解消す
ることも可能であるが、これによって粉末の粗大化によ
る焼成体密度の低下や、生産性の低下を招く問題があ
る。このような理由により、目的化合物の構成元素を十
分に拡散させながら、緻密な焼成体が得られるように粉
砕容易な粉末を得るには、できるだけ低温かつ短時間で
仮焼するが、これによって上記不都合を生じさせないた
めには、用いる粉末を微細かつ均一にする必要がある。
Since the particle size of the above-mentioned raw material powder is usually about 3 to 30 μm in median diameter, if these are mixed as they are, sufficient component diffusion does not proceed in the calcination treatment,
In addition to the non-uniform composition, formation of coarse higher-order particles by necking may cause problems such as suppressing the density of the compact and not obtaining a dense sintered body. Regarding the non-uniformity of the composition among these, it is possible to eliminate it by raising the calcination temperature or extending the calcination time, but this reduces the density of the sintered body due to the coarsening of the powder, and the production. There is a problem that causes deterioration of sex. For this reason, in order to obtain a powder that is easy to pulverize so that a dense fired body can be obtained while sufficiently diffusing the constituent elements of the target compound, calcination is performed at the lowest temperature and the shortest time possible. In order not to cause inconvenience, it is necessary to make the powder used fine and uniform.

【0041】この目的にはボールミル、アトリッション
ミル、振動ミルなどの各種媒体ミルなどを通常用いられ
るように特に制限なく用いることができる。また、この
時の混合粉砕方法としては、粉末のみによる乾式や、水
やアルコールなどを加えた湿式が存在するが、何れでも
よい。そして、仮焼に供する原料粉末混合物の粒径はメ
ジアン径で15μm以下が望ましく、より望ましくは
0.5〜3μmの範囲である。
For this purpose, various media mills such as ball mills, attrition mills, and vibration mills can be used without particular limitation as they are usually used. As the mixing and pulverizing method at this time, there are a dry method using only powder and a wet method using water, alcohol, etc., but any method may be used. The particle size of the raw material powder mixture used for calcination is preferably 15 μm or less in median diameter, and more preferably 0.5 to 3 μm.

【0042】目的化合物の構成元素を十分に拡散させな
がら、緻密な焼成体が得られるような粉砕容易な粉末と
するために、焼結に先だって加熱処理、すなわち仮焼が
行われる。この仮焼においてこのような粉末を得るため
には仮焼温度が重要であり、そのためにはその温度を1
100℃未満とする必要がある。仮焼温度が1100℃
以上になると構成成分の拡散が進行して条件次第で目的
相単相を形成するが、それに加えて、粉末間のネッキン
グ形成が進行することにより、そのまま成形以降の工程
に供しても緻密な焼結体が得られないだけでなく、再粉
砕を行う場合も、それに先立って時に径10mm以上に
成長した粗粒を破砕しなければならないことがあり、工
程の煩雑化、および、これに伴う製造コスト上昇や不純
物混入量の増大を導く問題がある。
Heat treatment, that is, calcination is performed prior to the sintering in order to obtain a powder that is easily crushed so that a dense fired body can be obtained while sufficiently diffusing the constituent elements of the target compound. In order to obtain such powder in this calcination, the calcination temperature is important, and for that purpose, the temperature is set to 1
It should be below 100 ° C. Calcination temperature is 1100 ° C
In the above case, the diffusion of the constituents proceeds and the target phase single phase is formed depending on the conditions. In addition to that, the progress of necking formation between the powders makes it possible to perform a dense firing even if it is directly subjected to the steps after molding. In addition to the case where a lump cannot be obtained, the coarse particles that have grown to a diameter of 10 mm or more sometimes have to be crushed prior to the re-grinding, which complicates the process, and the accompanying production. There are problems that lead to an increase in cost and an increase in the amount of impurities mixed.

【0043】より好ましい仮焼条件は、800〜100
0℃で0.1〜30時間保持である。仮焼条件が800
℃未満および/または0.1時間未満では仮焼後の粉末
中に目的相が生成されにくいばかりでなく、アルカリ土
類元素の原料化合物として炭酸塩や水酸化物などを用い
た場合にはそれらの分解が終了しない場合があり、仮焼
の効果が十分に得られないおそれがある。また、仮焼条
件が1000℃超えおよび/または30時間超えでは粉
末間のネッキング形成が若干進行し、そのまま成形以降
の工程に供した場合に焼結体の緻密度がやや劣る可能性
がある。
More preferable calcining conditions are 800 to 100.
Hold at 0 ° C for 0.1 to 30 hours. Calcination condition is 800
If the temperature is less than ℃ and / or less than 0.1 hours, the target phase is not easily generated in the powder after calcination, and if carbonate or hydroxide is used as the raw material compound of the alkaline earth element, the In some cases, decomposition may not be completed, and the effect of calcination may not be sufficiently obtained. On the other hand, if the calcination condition exceeds 1000 ° C. and / or exceeds 30 hours, necking formation between the powders slightly progresses, and the compacts of the sintered body may be slightly inferior when directly subjected to the steps after molding.

【0044】仮焼段階で構成成分の拡散をさせるに十分
な混合・粉砕がなされており、かつ、適切な条件で仮焼
された粉末であっても、粉末間のネッキングによって部
分的には数十μmの粗粒が混入することが多い。このま
ま成形以降の工程に供しても緻密な焼結体を得ることは
可能であるが、できるだけ低温での焼成により、かつ、
再現性良く緻密な焼結体とするためには、上記粗粒を除
去しておくことが好ましい。
Even if the powders are sufficiently mixed and pulverized to diffuse the constituents in the calcination step, and the powders are calcined under appropriate conditions, some of them are partially broken by necking between the powders. Coarse particles of 10 μm are often mixed. It is possible to obtain a dense sintered body by subjecting it to the subsequent steps as it is, but by firing at the lowest possible temperature, and
In order to obtain a dense sintered body with good reproducibility, it is preferable to remove the coarse particles.

【0045】粗粒の除去のために、目の細かいフィルタ
を用いることも可能ではあるが、その場合には目詰まり
を起こしたり、成分の不均一化が起きる可能性があるこ
とから望ましくない。そうした不都合を避けるには出発
原料の混合・粉砕と同様の手法で再粉砕を行うことが好
ましい。このことは、他の工程と生産設備を共通化する
ことで、別途の設備投資を回避するだけでなく、不純物
混入の可能性を低減させる効果もある。つまり、生産現
場において全工程が同様に連日稼動することはなく、特
に混合・粉砕工程の設備は稼働時間が限定される。そう
した場合に、稼動していない混合・粉砕設備で別の原料
を処理することがあり、その後の洗浄などが不完全であ
ったり、想定外の個所に原料が侵入した場合には不純物
混入の原因となるが、このように仮焼後の混合・粉砕に
原料の混合・粉砕の設備を用いることにより、特定の設
備を同じ原料を扱う複数の工程に対応させることとな
り、不純物混入の可能性をより低減することができる。
It is possible to use a fine filter for removing coarse particles, but in that case, clogging or non-uniformity of components may occur, which is not desirable. In order to avoid such inconvenience, it is preferable to carry out re-grinding in the same manner as mixing and grinding of starting materials. This has the effect of not only avoiding separate equipment investment but also reducing the possibility of impurities being mixed by making production equipment common to other processes. In other words, all processes do not operate every day at the production site in the same way, and especially the operation time of the equipment for the mixing and crushing process is limited. In such a case, another raw material may be processed in a non-operating mixing / grinding facility, and if the subsequent cleaning is incomplete, or if the raw material enters an unexpected location, the cause of contamination of impurities However, by using the equipment for mixing and pulverizing raw materials for mixing and pulverizing after calcination in this way, it is possible to use specific equipment for multiple processes that handle the same raw material, and to prevent the possibility of contamination with impurities. It can be further reduced.

【0046】仮焼後の粉末はドクターブレード法、押出
し成型法、一軸加圧や等方静水圧成形など粉末成形法
等、通常利用される成形手段によって薄板状や円筒状な
ど所望の形状に成型されるが、過度に微細な粉末では嵩
高くなり取り扱いに不便が生じるほか、バインダ成分を
多量に必要とすることにより、バインダの除去工程に長
時間を要したり、緻密な焼結体が得られなくなる問題が
生じる。その一方で、焼成に供する粉末が粗いと緻密化
しなかったり、緻密化するとしても高温を要することに
なる。本発明に係る混合伝導性酸化物は遷移金属を含む
ために、高温ではそうした成分が焼成治具へと拡散した
り、アルカリ土類金属が揮発して組成がずれるなどの問
題がある。以上の点を考慮すると、仮焼後の粉末の粒径
はメジアン径で10μm以下が好ましく、0.5〜3μ
mがより好ましい。
The powder after calcination is molded into a desired shape such as a thin plate or a cylinder by a commonly used molding means such as a doctor blade method, an extrusion molding method, a powder molding method such as uniaxial pressing or isostatic pressing. However, if the powder is too fine, it becomes bulky and inconvenient to handle.Because a large amount of binder component is required, it takes a long time to remove the binder and a dense sintered body can be obtained. There is a problem that cannot be controlled. On the other hand, if the powder to be fired is coarse, it will not be densified, or even if it is densified, it will require a high temperature. Since the mixed conductive oxide according to the present invention contains a transition metal, there is a problem that such a component is diffused into a firing jig at a high temperature, or an alkaline earth metal is volatilized to shift the composition. Considering the above points, the median particle diameter of the powder after calcination is preferably 10 μm or less,
m is more preferred.

【0047】再粉砕を経た仮焼粉末を成形後、焼成して
焼成体を得る。この場合に、本発明の緻密な焼結体を得
るためには焼成温度を1100℃以上とする必要があ
る。上焼成温度が1100℃より低温では現実的な処理
時間で緻密な焼結体を得ることは実質的に困難である。
The calcined powder that has been re-ground is molded and then calcined to obtain a calcined body. In this case, in order to obtain the dense sintered body of the present invention, the firing temperature needs to be 1100 ° C. or higher. If the upper firing temperature is lower than 1100 ° C., it is substantially difficult to obtain a dense sintered body in a realistic processing time.

【0048】より望ましい焼成条件は1100〜130
0℃で0.1〜20時間保持することである。1300
℃を超えると緻密な焼結体は得ることができるが、遷移
金属の拡散やアルカリ土類金属の揮発などが生じやすく
なり、さらには焼成治具への融着も生じるため好ましく
ない。
More desirable firing conditions are 1100 to 130.
It is to hold at 0 ° C. for 0.1 to 20 hours. 1300
If the temperature exceeds ℃, a dense sintered body can be obtained, but diffusion of transition metals, volatilization of alkaline earth metals and the like are likely to occur, and further, fusion to a firing jig is also unfavorable.

【0049】以上のような製造方法を採用することによ
り、上記組成を有し、開気孔率が0.7%以下の緻密な
混合伝導性酸化物を得ることができる。
By adopting the above manufacturing method, a dense mixed conductive oxide having the above composition and an open porosity of 0.7% or less can be obtained.

【0050】[0050]

【実施例】以下、本発明の実施例について比較例ととも
に説明する。
EXAMPLES Examples of the present invention will be described below together with comparative examples.

【0051】(実施例1)表1に示すように、出発原料
としてLa23(キシダ化学、純度99.99%)、Sr
CO3(関東化学、99.9%)、Co23(関東化学、純
度99.95%)、および、Fe23(和光純薬、9
9.9%)をLa:Sr:Co:Fe=1:9:9:1
の陽イオン比になるように秤量した。これら原料を湿式
ボールミルによって、表1に示すメジアン径まで混合・
粉砕した。メジアン径は、レーザ回折/散乱式粒度分布
測定装置を用いて、水を分散媒に、ヘキサメタリン酸ナ
トリウムを分散剤として測定した値である。
(Example 1) As shown in Table 1, starting materials were La 2 O 3 (Kishida chemistry, purity 99.99%), Sr.
CO 3 (Kanto Kagaku, 99.9%), Co 2 O 3 (Kanto Kagaku, purity 99.95%), and Fe 2 O 3 (Wako Pure Chemicals, 9
9.9%) to La: Sr: Co: Fe = 1: 9: 9: 1.
Were weighed so that the cation ratio was. Using a wet ball mill, mix these raw materials to the median diameter shown in Table 1.
Crushed. The median diameter is a value measured by using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device with water as a dispersion medium and sodium hexametaphosphate as a dispersant.

【0052】仮焼はアルミナ匣鉢中、950℃で10時
間行いペロブスカイト単相を得た。この粉末を再び湿式
ボールミルによって、表に示すメジアン径にまで微粉砕
した。この際のメジアン径も原料粉末と同様にして測定
した。
The calcination was carried out in an alumina bowl at 950 ° C. for 10 hours to obtain a perovskite single phase. This powder was finely pulverized again by a wet ball mill to a median diameter shown in the table. The median diameter at this time was also measured in the same manner as the raw material powder.

【0053】微粉砕した粉末は乾燥後、一軸加圧および
等方静水圧成形によって直径15mm、厚み2mmの円
板とした。これを1300℃−5時間の条件で焼成し、
得られた焼結体を評価用ペレットとした。上記ペレット
の焼結体としての緻密性を調べるために開気孔率を水中
アルキメデス法により測定した。
The finely pulverized powder was dried and then uniaxially pressed and isotropically hydrostatically formed into a disk having a diameter of 15 mm and a thickness of 2 mm. This is baked at 1300 ° C. for 5 hours,
The obtained sintered body was used as an evaluation pellet. The open porosity was measured by the underwater Archimedes method in order to investigate the denseness of the above pellets as a sintered body.

【0054】上記ペレットを直径約11mm、厚み約1
mmに加工した後、純銀製リングを用い、管状炉で銀融
点まで加熱することにより、ムライト管上部に当該リン
グを融着・固定した。この状態で測定温度(900℃)
まで降温し、ムライト管上方からペレット表面に原料ガ
スとして純空気(混合ガス、O2:21.05%、N2
78.95%)を20ml/minで供給した。また、
透過酸素出側ペレット表面にパージガスとしてHeを2
0ml/minで供給した。原料空気から分離され、ペ
レット内を透過した酸素は、パージガスとともにムライ
ト管内を通過した後、ガスクロマトグラフィー(GC−
TCD)によって検出され、その検出酸素から酸素透過
能を算出した。さらに、N2濃度を検出することによ
り、ペレットの亀裂発生や融着不良などによる空気のリ
ークの有無を確認した。測定に際しては、測定温度で約
30分間保持した後、約10分間隔で4回の測定を行っ
た。表1に示すように、求められた酸素透過率は、約
2.2cm3(STP)・cm- 2・min-1と高い値を
示した。この値は、酸素製造用分離膜およびガス改質用
隔膜リアクターとして十分なものであった。
The above pellets had a diameter of about 11 mm and a thickness of about 1
After processing to mm, the ring was fused and fixed to the upper part of the mullite tube by heating to a silver melting point in a tubular furnace using a pure silver ring. Measurement temperature (900 ℃) in this state
To a pellet surface from the upper side of the mullite tube as a raw material gas pure air (mixed gas, O 2 : 21.05%, N 2 :
78.95%) was supplied at 20 ml / min. Also,
2 He was used as a purge gas on the surface of the permeated oxygen outlet pellet.
It was supplied at 0 ml / min. Oxygen separated from the raw material air and permeated through the pellets passed through the mullite tube together with the purge gas, and was then subjected to gas chromatography (GC-
TCD), and oxygen permeability was calculated from the detected oxygen. Furthermore, by detecting the N 2 concentration, the presence or absence of air leakage due to cracking of pellets, defective fusion, etc. was confirmed. At the time of measurement, the measurement temperature was maintained for about 30 minutes, and then the measurement was performed four times at intervals of about 10 minutes. As shown in Table 1, the oxygen transmission rate obtained, about 2.2cm 3 (STP) · cm - was high and 2 · min -1. This value was sufficient for a separation membrane for oxygen production and a diaphragm reactor for gas reforming.

【0055】(実施例2)仮焼条件を950℃で1時間
に、焼成条件を1200℃で5時間とした他は、実施例
1と同様の手順で評価用ペレットを作製し、同様にして
酸素透過能を算出した。その結果も表1に併記する。こ
の場合も求められた酸素透過率は約2.2cm3(ST
P)・cm-2・min-1と酸素製造用分離膜およびガス
改質用隔膜リアクターとして十分に高い値を示した。
(Example 2) Example 2 except that the calcination conditions were 950 ° C for 1 hour and the firing conditions were 1200 ° C for 5 hours.
Pellets for evaluation were prepared by the same procedure as in 1, and the oxygen permeability was calculated in the same manner. The results are also shown in Table 1. Also in this case, the oxygen transmission rate obtained is about 2.2 cm 3 (ST
P) · cm −2 · min −1, which was a sufficiently high value as a separation membrane for oxygen production and a membrane reactor for gas reforming.

【0056】(実施例3)仮焼条件を850℃で10時
間に、焼成条件を1300℃−5時間とした他は、実施
例1と同様の手順で評価用ペレットを作製し、同様にし
て酸素透過能を算出した。その結果も表1に併記する。
この場合も求められた酸素透過率は約2.1cm3(S
TP)・cm-2・min-1と酸素製造用分離膜およびガ
ス改質用隔膜リアクターとして十分に高い値を示した。
Example 3 Evaluation pellets were prepared in the same manner as in Example 1 except that the calcination conditions were 850 ° C. for 10 hours and the firing conditions were 1300 ° C.-5 hours. The oxygen permeability was calculated. The results are also shown in Table 1.
Also in this case, the oxygen transmission rate obtained is about 2.1 cm 3 (S
TP) · cm −2 · min −1, which was a sufficiently high value as a separation membrane for oxygen production and a membrane reactor for gas reforming.

【0057】(比較例1)La、SrおよびCoの酢酸
塩、および、Feの硝酸塩を出発原料として、これらを
実施例と同じ陽イオン比になるように混合した水溶液を
蒸発乾固して粉末として、これに対し850℃で10時
間の仮焼を行い、実施例と同様に成形して1100℃−
5時間の条件で焼成して評価用ペレットとした。実施例
1と同様の手順で評価用ペレットを作製し、同様にして
酸素透過能を算出した。その結果も表1に併記する。本
比較例1では、開気孔率が実施例のペレットよりも大き
く、これに伴って酸素透過率も低くなった。
Comparative Example 1 La, Sr, and Co acetates and Fe nitrate were used as starting materials, and these were mixed at the same cation ratio as in the example to evaporate and dry to powder. As a result, calcination is performed at 850 ° C. for 10 hours, and molding is performed in the same manner as in the example to obtain 1100 ° C.
Firing was performed under the condition of 5 hours to obtain pellets for evaluation. Example
Pellets for evaluation were prepared by the same procedure as in 1, and the oxygen permeability was calculated in the same manner. The results are also shown in Table 1. In Comparative Example 1, the open porosity was higher than that of the pellets of the Examples, and the oxygen permeability was accordingly low.

【0058】また、焼成したペレットを放置しておく
と、多くのものに亀裂が発生した。亀裂面に特に欠陥な
どは認められないことから、この原因は微細な粉末を用
いたことにより成形体中に残留していた歪が影響してい
たものと推測された。
When the fired pellets were left to stand, many of them cracked. Since no particular defects were found on the crack surface, it was speculated that the cause of this was that the strain remaining in the compact due to the use of the fine powder had an effect.

【0059】(比較例2)Aサイト構成成分であるL
a:Sr比を表に示すように変えた他は実施例1と同様
の手順で評価用ペレットを作製した。その結果、実施例
1〜3のペレットよりも開気孔率は小さくなった。これ
は用いた粉末のメジアン径が実施例のものよりも微細に
なるようにしたためである。しかし、酸素透過率は実施
例1〜3よりも約2割低くなった。このように、緻密な
焼結体であっても、僅かに構成陽イオン比が変わること
で酸素透過率は大きく低下することが確認された。
(Comparative Example 2) L which is a constituent of A site
Pellets for evaluation were prepared in the same procedure as in Example 1 except that the a: Sr ratio was changed as shown in the table. As a result, the open porosity was smaller than that of the pellets of Examples 1 to 3. This is because the median diameter of the powder used was made finer than that of the example. However, the oxygen permeability was about 20% lower than that of Examples 1-3. As described above, it was confirmed that even in the case of a dense sintered body, the oxygen permeability is significantly reduced by slightly changing the constituent cation ratio.

【0060】(比較例3)Bサイト構成成分であるC
o:Fe比を表に示すように変えた他は実施例1と同様
の手順で評価用ペレットを作製した。その結果、実施例
に示したペレットよりも開気孔率は小さくなった。これ
は用いた粉末のメジアン径が実施例のものよりも微細に
なるようにしたためである。しかし、酸素透過率は実施
例1〜3よりも約2割低くなった。このように、より緻
密な焼結体であっても、僅かに構成陽イオン比が変わる
ことで酸素透過率は大きく低下することが確認された。
(Comparative Example 3) C which is a component of B site
Pellets for evaluation were prepared in the same procedure as in Example 1 except that the o: Fe ratio was changed as shown in the table. As a result, the open porosity was smaller than that of the pellets shown in the examples. This is because the median diameter of the powder used was made finer than that of the example. However, the oxygen permeability was about 20% lower than that of Examples 1-3. As described above, it was confirmed that even with a denser sintered body, the oxygen permeability was significantly reduced by slightly changing the constituent cation ratio.

【0061】(比較例4〜6)比較例4は出発原料の混
合物を粉砕することなく仮焼以降の工程に供した以外は
実施例1と同様の手順で評価用ペレットを作製し、比較
例5は仮焼後の粉末を粉砕することなく焼成以降の工程
に供した以外は実施例1と同様の手順で評価用ペレット
を作製し、比較例6は仮焼条件を1150℃−10時間
とした他は実施例1と同様の手順で評価用ペレットを作
製した。その結果、比較例4ないし6では、焼成体中の
開気孔率が大きく、このために酸素透過率が低く、比較
例4,6では実施例1〜3と比べて半分以下になった。
また、比較例5では透過酸素量のうち、焼結体空隙を通
過した酸素と固体内を拡散した酸素を区別することが不
可能であり酸素透過率は測定不能であった。
Comparative Examples 4 to 6 In Comparative Example 4, evaluation pellets were prepared in the same procedure as in Example 1 except that the mixture of starting materials was subjected to the steps after calcination without crushing. No. 5 produced pellets for evaluation by the same procedure as in Example 1 except that the powder after calcination was subjected to the steps after firing without crushing, and in Comparative Example 6, the calcination conditions were 1150 ° C. for 10 hours. Otherwise, the evaluation pellets were produced in the same procedure as in Example 1. As a result, in Comparative Examples 4 to 6, the open porosity in the fired body was large and therefore the oxygen permeability was low, and in Comparative Examples 4 and 6, it was less than half of Examples 1 to 3.
Further, in Comparative Example 5, it was impossible to distinguish between oxygen that passed through the voids of the sintered body and oxygen that diffused in the solid in the amount of oxygen transmitted, and the oxygen permeability could not be measured.

【0062】[0062]

【表1】 [Table 1]

【0063】[0063]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
酸素製造用分離膜および隔膜リアクターとして特定組成
および開気孔率を有する酸素透過率の高い混合伝導性酸
化物を用いて酸素製造およびガス改質を行うので高効率
で酸素の製造およびガスの改質を行うことができる。
As described above, according to the present invention,
Oxygen production and gas reforming are performed with high efficiency by using a mixed conducting oxide having a specific composition and open porosity and high oxygen permeability as a separation membrane and a diaphragm reactor for oxygen production. It can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る酸素製造方法およびガス改質方法
を実施可能な電力併産型のシステムの概要を示す系統
図。
FIG. 1 is a system diagram showing an outline of an electric power co-production type system capable of implementing an oxygen production method and a gas reforming method according to the present invention.

【図2】図1の酸素製造装置内において分離膜として混
合伝導性酸化物を用いた空気分離ユニットを示す模式
図。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an air separation unit using a mixed conductive oxide as a separation membrane in the oxygen production apparatus of FIG.

【図3】図2の空気分離ユニットに用いられるタンマン
型チューブを示す断面図。
FIG. 3 is a sectional view showing a Tammann type tube used in the air separation unit of FIG.

【図4】図1のガス改質装置内において隔膜リアクター
として混合伝導性酸化物を用いたガス改質ユニットを示
す模式図。
4 is a schematic diagram showing a gas reforming unit using a mixed conductive oxide as a diaphragm reactor in the gas reforming apparatus of FIG.

【図5】図4のガス改質ユニットに用いられるストレー
ト型チューブを示す断面図。
5 is a sectional view showing a straight tube used in the gas reforming unit of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

7;酸素製造装置 23;ガス改質装置 29;空気分離ボックス 30;タンマン型チューブ 36,50;薄膜状の混合伝導性酸化物 37,51;多孔質支持体 43;ガス改質ボックス 44;ストレート型チューブ 7: Oxygen production equipment 23; Gas reformer 29; Air separation box 30; Tamman type tube 36, 50; thin film mixed conductive oxide 37,51; Porous support 43; Gas reforming box 44; straight tube

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C01G 49/00 C01G 49/00 A 51/00 51/00 B C04B 35/50 C04B 35/50 (72)発明者 岡田 敏彦 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 有山 達郎 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 藪田 和哉 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 福嶋 信一郎 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 小山 利幸 千葉県佐倉市大作二丁目4番2号 太平洋 セメント株式会社内 (72)発明者 寺岡 靖剛 長崎県長崎市文教町1−14 長崎大学工学 部内 Fターム(参考) 4D006 GA41 HA24 MA02 MB06 MB19 MC03X NA39 NA51 NA62 PB17 PB18 PB62 PC69 PC71 4G002 AA08 AA09 AA10 AB01 AD02 AD04 AE05 4G040 EA03 EA07 EB11 EB46 4G042 BA30 BA40 4G048 AA05 AB01 AC08 AD01 AE05─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C01G 49/00 C01G 49/00 A 51/00 51/00 B C04B 35/50 C04B 35/50 (72) Inventor Toshihiko Okada 1-2-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Nihon Kokan KK (72) Inventor Tatsuro Ariyama 1-2-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Nihon Kokan KK (72) Invention Kazuya Yabuta 1-2-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Nihon Kokan KK (72) Inventor Shinichiro Fukushima 1-2-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Nihon Kokan KK (72) Inventor Koyama Toshiyuki 2-4-2 Daisaku, Sakura-shi, Chiba Taiheiyo Cement Co., Ltd. (72) Inventor Yasutaka Teraoka 1-14 Bunkyo-cho, Nagasaki-shi, Nagasaki Nagasaki University Faculty of Engineering F-term ( Reference) 4D006 GA41 HA24 MA02 MB06 MB19 MC03X NA39 NA51 NA62 PB17 PB18 PB62 PC69 PC71 4G002 AA08 AA09 AA10 AB01 AD02 AD04 AE05 4G040 EA03 EA07 EB11 EB46 4G042 BA30 BA40 4G048 AA05 AB01 AC08 AD01 AE05

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ランタン、ストロンチウム、コバルトお
よび鉄を主成分とし、それら成分元素のモル比が下記
(1)式で表され、開気孔率が0.7%以下の緻密質で
ある混合伝導性酸化物を酸素製造用分離膜として用いて
酸素を製造することを特徴とする酸素製造方法。 La:Sr:Co:Fe=x:1−x:1−y:y ……(1) (ただし、0<x<0.15 、0<y<0.15 )
1. A mixed conductivity having lanthanum, strontium, cobalt and iron as main components, the molar ratio of the component elements being represented by the following formula (1), and having an open porosity of 0.7% or less. A method for producing oxygen, comprising producing oxygen using an oxide as a separation membrane for producing oxygen. La: Sr: Co: Fe = x: 1-x: 1-y: y (1) (where 0 <x <0.15, 0 <y <0.15)
【請求項2】 以下の(1)式に示す構成比率で金属元
素を含む原料化合物を1100℃未満で熱処理して混合
酸化物とした後に、1100℃以上での焼成を行うこと
によって得られた混合伝導性酸化物を酸素製造用分離膜
として用いて酸素を製造することを特徴とする酸素製造
方法。 La:Sr:Co:Fe=x:1−x:1−y:y ……(1) (ただし、0<x<0.15 、0<y<0.15 )
2. A material obtained by heat-treating a raw material compound containing a metal element at a composition ratio represented by the following formula (1) at a temperature lower than 1100 ° C. to form a mixed oxide and then firing at a temperature of 1100 ° C. or higher. An oxygen production method comprising producing oxygen using a mixed conductive oxide as a separation membrane for oxygen production. La: Sr: Co: Fe = x: 1-x: 1-y: y (1) (where 0 <x <0.15, 0 <y <0.15)
【請求項3】 ランタン、ストロンチウム、コバルトお
よび鉄を主成分とし、それら成分元素のモル比が下記
(1)式で表され、開気孔率が0.7%以下の緻密質で
ある混合伝導性酸化物を隔膜リアクターとして用いてガ
スを改質することを特徴とするガス改質方法。 La:Sr:Co:Fe=x:1−x:1−y:y ……(1) (ただし、0<x<0.15 、0<y<0.15 )
3. Mixed conductivity having lanthanum, strontium, cobalt and iron as main components, the molar ratio of the component elements being represented by the following formula (1) and having an open porosity of 0.7% or less. A gas reforming method comprising reforming a gas by using an oxide as a diaphragm reactor. La: Sr: Co: Fe = x: 1-x: 1-y: y (1) (where 0 <x <0.15, 0 <y <0.15)
【請求項4】 以下の(1)式に示す構成比率で金属元
素を含む原料化合物を1100℃未満で熱処理して混合
酸化物とした後に、1100℃以上での焼成を行うこと
によって得られた混合伝導性酸化物を隔膜リアクターと
して用いてガスを改質することを特徴とするガス改質方
法。 La:Sr:Co:Fe=x:1−x:1−y:y ……(1) (ただし、0<x<0.15 、0<y<0.15 )
4. A material obtained by heat-treating a raw material compound containing a metal element at a composition ratio represented by the following formula (1) at a temperature lower than 1100 ° C. to form a mixed oxide, and then firing at 1100 ° C. or higher. A gas reforming method comprising reforming a gas by using a mixed conductive oxide as a diaphragm reactor. La: Sr: Co: Fe = x: 1-x: 1-y: y (1) (where 0 <x <0.15, 0 <y <0.15)
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008524101A (en) * 2004-12-16 2008-07-10 アイピーシー インターナショナル パワー コンサルティング リミテッド Reactor for simultaneous separation of hydrogen and oxygen from water

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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